首位提出用水泥製造納米材料——孫國星

文│張愛華
圖│編輯部,部分由受訪者提供

澳門大學應用物理及材料工程研究院助理教授孫國星是首位提出用水泥製造最便宜納米顆粒的專家。回憶求學之路,原來他大學時成績幾乎倒數第一,博士讀化學工程三年後又被導師勸退,轉讀土木工程建築材料後彷如發現新大陸。這些年來,他堅持以研究為使命的初心,由於擁有跨學科背景,在研究上屢獲突破性發展。

科研著重成果轉化

孫國星教授的實驗室位於應用物理及材料工程研究院地面層,這裏也是他與同院的李宗津教授的聯合實驗室,約240平方米的空間,佈置得像車間一樣。他在2017年加入澳大時,當時實驗室還是毛坯房,是與李教授一手一腳設計建立起來。

孫國星教授是首位提出用水泥製造最便宜、能夠量產的納米顆粒

孫國星率先發現,把水泥放進冰水, 就可以在液體中得到只有五納米大小的顆粒,用於製造各種性能優異的納米材料。在澳大,孫教授和團隊發明了一系列用水泥緩釋出納米顆粒複合而成的特種水凝膠。他們最初發現的是該凝膠優異的機械性能,例如它可以被壓縮到自身的99% 的形變,一秒鐘內恢復原狀,依托這種特殊的性能還開發了三種產品:第一種產品可以吸收自身四倍重量的有機色素;第二種產品具有極強的導電性能和優異的彈性,可以做一種具有柔性的高電導率的傳感器材料;第三種產品是一種超級吸水樹脂,可以吸收自身倍數高達13,600倍的吸水量,是之前世界紀錄的二至三倍。「這塊吸水後的凝膠含水率高達99.993%,是世界上含水量最高的物質。」

孫國星教授在澳大開放日展示其發明的納米泡沫水泥

求學路上波折重重

孫國星生於江蘇省淮安市,高中時屢獲全市統考第一名。當年高考第一志願是報讀清華大學最高分專業——自動化工程,惜高考時臨場發揮失準比清華分數線低了五分,後來入讀不在報考志願內的北京師範大學化學專業。入大學時,孫國星才17歲,他說當年心態未調整好,大學前三年一直荒廢學業,成績幾乎是全班倒數第一,「我當時一直否定自己,覺得上學已經沒有希望。幸好大三時碰到了我人生的第一位導師劉正平教授,他把我拉進研究小組,讓我首次接觸科研,畢業時我的論文還差點獲提名為優秀本科論文。」

2004年大學畢業後,劉教授希望孫國星留校讀研,惟他的英語和政治課不及格令考研失敗。他於是返回家鄉,一邊在一所職業學校教化學,一邊瘋狂複習英文,考了三年才考上碩士班。回望這段經歷,他說:「當時我只不過21歲,如果拼一拼考上碩士,至少可能會改變命運。」考上碩士不久,孫國星因出色的研究被導師劉正平教授推薦到中國科學院的化學研究所聯合培養,「我的研究和訓練都是在中科院完成,中科院的陳光明教授對我的科研指導非常重要。」結果孫國星不負寄望,兩年內完成了三篇SCI期刊論文和一篇核心期刊論文。

孫國星的求學路一波三折。2009年碩士畢業時他因錯過了公派留學博士的申請,於是去到一間教育集團任化學老師,半年就被擢升為星級老師,這段經歷磨練了他的教學技巧。矢志走研究路的孫國星,在教書的一年間寫了200 多封博士學位申請信,「很幸運,我最後拿到四個offers,包括歐洲四大理工大學之一的代爾夫特理工大學和香港科技大學。」孫國星最後選了香港科技大學。

在交叉點上找到創新點

孫國星的首位博士導師是香港科技 大學化學及生物工程學系的陳志明教授,「我當時的博士研究是傳統高分子結晶理論的深入推導,導師覺得我不太適合在這個方向繼續,難有突破,便勸我退學,否則也可能畢不了業。」

被勸退幾天後,大受打擊的孫國星發了一封電郵給土木及環境工程學系的李宗津教授,「李教授不忍心我白白浪費三年時光,便給我機會在他的課題組繼續完成博士學位,他給我的指導直接形成了我現在的科研和管理理念。」土木工程領域為孫教授開拓一片新的天空,他形容就像「發現新大陸」。

由於擁有紮實的化工理論,孫國星在2013年6月加入李宗津教授組的第一個月,就發現了一些能夠應用在建築材料領域的化學手段,三個月後發表第一篇材料研究的SCI論文。他還記得當時第一次在電子顯微鏡房間,發現能從水泥這種建築材料中找出只有五納米大小的顆粒時那種振奮感,他更因此成為世界上首位提出用水泥製造世界上最便宜、能夠量產的納米顆粒的人,「我當時開始洞悉到,自己最擅長是做一些產品創新和理論創新的研究。」

孫國星教授與博士導師李宗津教授合照

孫國星用了一年半時間取得土木工程博士學位。博士畢業後,他先到香港納米及先進材料研發院有限公司任研發工程師,同時在香港科技大學做兼職博士後研究,兩年間就有兩個創新發明,包括能在空氣中穩定存在兩年的納米泡沫,以及以之製備的輕質高強度泡沫水泥。

研究的動力

孫國星教授(第三排左一)大四時參與一場學術會議,到澳大後始發現同場合照中有澳大應用物理及材料工程研究院院長湯子康教授(第一排左三),當時二人互不認識。

2017年孫國星因一次機遇到訪澳大,即愛上這裡的學術環境,後來就有了在澳大的故事,還和他的恩師李宗津教授相遇,再度攜手探索未知的研究項目。目前他和李教授聯合培養20餘位博士生及博士後,「研究一直是我最想做的事,把研究回饋社會更是我最大的心願。」

把研究轉化為對社會有用的東西,一直是孫教授的研究動力。依托珠海澳大科技研究院在橫琴建立的產學研示範基地,他已計劃在珠研院的先進材料研發中心設立小型生產線,定位是把研發的產品作為中間原料,例如吸水膨脹劑,希望將來應用到農田保水、沙漠治理等方面。「我們計劃先以粉劑的形式在珠研院生產,然後再找一些做吸水樹脂的企業,直接生產民用產品,例如尿不濕或農田保水劑等,我們已計劃跟粵西最大的工業基地——珠海高欄港工業園合作把產品推出市場。」

孫教授在交叉學科領域找到了創新點,正如他經常對學生所言:「只要不放棄,就會成功!」在研究路上,他很有信心地說:「前面還有一大片未知的課題等著我去開發。」

孫國星教授研究方向為高分子、水泥基納米複合材料,高分子結晶、混凝土外加劑、水泥水化製造納米粒子增強高分子水凝膠、納米粒子穩固泡沫等。首位提出用水泥製造最便宜、能夠量產的納米顆粒。已發表學術論文50餘篇,作為第一或主要發明人申請中國發明專利六項(已獲授權一項),獲授權美國發明專利一項。2019年獲國際先進材料協會頒授國際先進材料科學家獎章。

第22期 | 2020年

同期更多故事

2020-08-06T11:36:52+08:00